JP5936154B2 - Acoustic transducer having gap control structure and method of manufacturing acoustic transducer - Google Patents
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Description
本発明は、音響トランスデューサおよびその製造方法に関するものである。
[関連出願の相互参照]
本出願は、発明の名称を“Acoustic Sensor with Gap−Controlling Geometry and Method of Manufacturing an Acoustic Sensor”とする2011年3月31日に出願された仮出願第61/470,384号の優先権を主張する。その全体の内容は、この引用により本明細書に援用されるものである。
The present invention relates to an acoustic transducer and a manufacturing method thereof.
[Cross-reference of related applications]
This application is based on provisional application No. 61 / 470,384 filed on Mar. 31, 2011 with the title of the invention “Acoustic Sensor with Gap-Controlling Geometry and Method of Manufacturing an Acoustic Sensor”. To do. The entire contents of which are incorporated herein by this reference.
音響トランスデューサ技術の現在の傾向は、より小さいマイクロフォンに向けられている。現在のところ、電荷を持つ薄膜に基づくエレクトレットマイクロフォンが殆どの用途で使用されている。しかしながら、それらマイクロフォンは、高温に曝された後に劣化するという課題を有する。容量性MEMSマイクロフォンは、はんだリフロー中に受ける高温に耐えることができ、その結果、製造コストを低減できるため、人気を得ている。圧電MEMSマイクロフォンは、30年以上研究がなされており、エレクトレットマイクロフォンとMEMS容量性マイクロフォンの利点を費用効率的な方法で潜在的に組み合わせることができる。しかしながら、圧電MEMSマイクロフォンは、昔から、薄膜の残留応力により引き起こされるダイヤフラムの張力に部分的に起因する高ノイズレベルに悩まされている。例えば、ダイヤフラムマイクロフォンは、すべてのエッジで拘束を受け、それは、感度低下をもたらす高いダイヤフラム張力を引き起こす。矩形片持ち梁マイクロフォンのような従来の片持ち設計もまた、周囲の基板から実質的に解放されるにも関わらず、残留応力の影響を受け、その少量の残留応力が片持ち梁を上方または下方の何れかに曲げて基板面から引き離す。この曲げは、片持ち梁周囲のギャップの増加を引き起こして、音響抵抗を低下させるとともに、低周波感度の望ましくない低下をもたらす。 Current trends in acoustic transducer technology are aimed at smaller microphones. At present, electret microphones based on charged thin films are used in most applications. However, these microphones have the problem of deteriorating after exposure to high temperatures. Capacitive MEMS microphones are gaining popularity because they can withstand the high temperatures experienced during solder reflow, resulting in reduced manufacturing costs. Piezoelectric MEMS microphones have been studied for over 30 years and can potentially combine the advantages of electret microphones and MEMS capacitive microphones in a cost-effective manner. However, piezoelectric MEMS microphones have long suffered from high noise levels due in part to diaphragm tension caused by thin film residual stresses. For example, diaphragm microphones are constrained at every edge, which causes high diaphragm tension that results in reduced sensitivity. Conventional cantilever designs, such as rectangular cantilever microphones, are also subject to residual stresses that are substantially free from the surrounding substrate, with a small amount of residual stresses moving up or down the cantilever beam. Bend to any of the bottom and pull away from the substrate surface. This bending causes an increase in the gap around the cantilever, reducing acoustic resistance and undesirably reducing low frequency sensitivity.
このため、圧電MEMS音響トランスデューサ分野において、残留応力に関わらず低周波感度を有する新規で有用な音響トランスデューサを作り出す必要性が存在する。 Thus, there is a need in the field of piezoelectric MEMS acoustic transducers to create new and useful acoustic transducers that have low frequency sensitivity regardless of residual stress.
本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、それら好ましい実施形態に本発明が限定されることを意図するものではなく、MEMS音響トランスデューサの分野における当業者が本発明を実施および使用できるようにすることを意図するものである。 The following description of preferred embodiments of the invention is not intended to limit the invention to those preferred embodiments, but to enable one of ordinary skill in the art of MEMS acoustic transducers to make and use the invention. Is intended.
[音響トランスデューサ]
図2、図3および図4に示すように、好ましい実施形態のトランスデューサ100は、基板160と、ギャップ制御配列で配置された複数の片持ち梁(cantilevered beams)120とを含むことができ、各梁120がギャップ制御構造(gap-controlling geometry)130を含む。好ましいトランスデューサ100の構造および配置は、ギャップ抵抗が制御されることを可能にし、それは、マイクロフォンの応答が“落ちる”または減少する周波数未満に、周波数の制御を可能にする。トランスデューサ100は、好ましくは圧電トランスデューサであるが、代替的には、容量性トランスデューサ、光トランスデューサ(例えば、光音響センサ)、または片持ち梁の応力に悩む任意のその他の適当なトランスデューサであってもよい。好ましいトランスデューサ100は、好ましくは音響トランスデューサであり、より好ましくは音響センサ(すなわち、マイクロフォン)であるが、代替的には、電圧または電圧で駆動されてスピーカとして使用されるものであってもよい。好ましいトランスデューサ100は、好ましくは、携帯電話のような消費者家電に組み込まれるが、医療用途(例えば、補聴器)、光音響検出、超音波用途、またはセンサまたはスピーカとしてその他のトランスデューサ100ベースの用途で使用されるものであってもよい。好ましいトランスデューサ100の片持ち梁配置は、隣接する片持ち梁120間の分離距離にギャップサイズを限定するように機能する。これは、時として基板と片持ち梁間の距離と同じだけ、分離後に、片持ち梁内の残留応力が梁を大幅に屈折させる従来の設計とは対照的である。好ましい実施形態のトランスデューサ100において、基板160上の複数の片持ち梁120間の近接が、梁120間の残留応力を同程度なものにする。隣接する片持ち梁120間の同様の応力プロファイルが、同様の片持ち梁の湾曲をもたらし、それにより、隣接する片持ち梁120間の分離距離にギャップサイズが制限される。
[Acoustic transducer]
As shown in FIGS. 2, 3 and 4, the
図4に示すように、好ましいトランスデューサ100は、基板160を含むことができる。好ましいトランスデューサ100の基板160は、製造プロセス中にトランスデューサ100を支持する機能を果たすとともに、作動中にトランスデューサ100の片持ち梁120を支持する機能を果たす。好ましいトランスデューサ100の一変形例において、基板160は、少なくとも部分的にシリコンまたは任意の適当なシリコン系化合物または派生物(例えば、Siウェハ、SOI、SiO2/Si上のポリSiなど)からなる。代替的には、基板160は、少なくとも部分的に繊維ガラス、ガラスまたは材料の任意の適当な組み合わせから構成することができる。好ましいトランスデューサ100の別の変形例において、基板160は、片持ち梁120が最大の伝播および応答を有するように、製造プロセス中に片持ち梁120の活性領域から実質的に除去される。
As shown in FIG. 4, the
図2、図3および図4に示すように、好ましいトランスデューサ100は、少なくとも1の片持ち梁120を含むことができる。より好ましくは、好ましいトランスデューサ100は、例えば、図3A乃至3Eの実施例に示すような適当な配列で配置された複数の片持ち梁120、または片持ち梁のアレイを含むことができる。好ましいトランスデューサ100の片持ち梁120は、音圧を電子信号に変換する機能を果たす。片持ち梁120は、好ましくは、より多数またはより多くの配列で、各片持ち梁120間の合成ギャップを最小化するギャップ制御構造130を含む。片持ち梁120のギャップ制御構造130は、好ましくは、先端部132および基端部134を含む。好ましい片持ち梁120において、先端部132は基端部134よりも非常に小さく、片持ち梁120は、基端部134から先端部132に向けて先細りする。基端部134は、好ましくは基板160に実質的に連結されるが、この基端部を除いて、片持ち梁120の全体は、好ましくは、付与応力を取り除くために拡大または縮小できるように、周囲の基板160から実質的に分離される。
As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the
図3A乃至3Eに示すように、片持ち梁120は、好ましくは、実質的に先の尖ったギャップ制御構造130を有し、その結果、基端部134は、片持ち梁120の伝播方向に対して垂直な方向において、先端部132よりも大幅に広い。例えば、好ましいトランスデューサ100の一変形例において、図3A、図3Bおよび図3Cに示す片持ち梁120は、ほぼ三角形の形状を有することができる。好ましいトランスデューサ100の別の変形例において、片持ち梁120は、図3Dに示すように実質的に湾曲した基端部134を有する扇形またはくさび形状130を備えることができる。好ましいトランスデューサ100の別の変形例において、片持ち梁120は、図3Eに示すような正方形の形状を有することができる。好ましい実施形態のトランスデューサ100のその他の変形例において、片持ち梁120は、片持ち梁120の伝播方向に対して垂直な方向において、先端部132が基端部134よりも幅が狭い任意の適当な形状を有することができる。適当な代替的な形状には、任意の種類の多角形または扇形が含まれ、アレイを有する各片持ち梁120は、実質的に同一の形状または実質的に異なる形状を有することができる。片持ち梁120の長さは、好ましくは、マイクロフォンの所望の共振周波数と一致するように調整されるが、代替的には、それよりも長いか、または短くてもよい。基端部134は、好ましくはその長さの2倍の幅であるが、代替的には、所望のトランスデューサ100の外周102の形状を達成することを可能にする任意の幅を有することができる。
As shown in FIGS. 3A-3E, the
片持ち梁120は、好ましくは、交互に重なった圧電層および電極層142から形成される。圧電層144は、加えられた圧力を電圧に変換する機能を果たすことができ、電極層142は、生成された電圧をJFET、電荷増幅器または集積回路のような増幅器に伝送する機能を果たすことができる。圧電層144は、好ましくは、そのCMOS適合性により窒化アルミニウム(AlN)を含むが、代替的には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛(PMN−PT)または任意のその他の適当な圧電性物質を含むことができる。電極層142は、好ましくは、モリブデン(Mo)、チタニウム(Ti)、アルミニウム(Al)またはプラチナ(Pt)を含むが、代替的には、任意のその他の適当な電極材料を含むことができる。片持ち梁120は、好ましくは、3つの電極層142間に介在する2つの圧電層144を含む。しかしながら、片持ち梁120は、3つの電極層142間に介在する3つの圧電層144を含むことができ、あるいは合計で3層のみ(第1電極層142、第1圧電層144および上部電極層142)を含むことができ、あるいは電極層142と圧電層144の任意の適当な順列の任意の数の層を含むことができる。好ましくは、片持ち梁120は、少なくとも1つの圧電層144と、1つの電極層142とを組み込んでいる。一構成例において、電極層142は、好ましくは、ノイズレベルを最小化するために、ほぼ三角形の片持ち梁120の面積のほぼ2/3を覆うが、片持ち梁120の形状に応じて片持ち梁120のより広いまたは少ない範囲を交互に覆うことができる。また、各電極層142は、好ましくは電極層142毎に一のみの独立の電極を規定するが、電極層142は、電極層142毎に複数の独立の電極を規定するようにパターン形成されるものであってもよい。電極層142は、好ましくは金属配線により互いに直列に接続されるが、並列に接続されるものであっても、直列と並列の両方で接続されるものであってもよい。
The
図3に示すように、好ましいトランスデューサ100は、先端部132が音響トランスデューサ100の中心部の近傍の共通領域に集まるようにほぼ同一の片持ち梁120が配置されるよう、構成されている。好ましくは、各片持ち梁120の自由縁136の各々は、隣接する片持ち梁120の自由縁136にそれぞれ平行である。片持ち梁120の各基端部134は、好ましくは、正多角形および/または円の形状の外周102を形成する。トランスデューサ100の外周102は、トランスデューサ100が好ましくは(図3Aに示される)4つの片持ち梁120を含むような好ましくは正方形であるが、代替的には、外周102は、音響トランスデューサが(図3Dに示される)任意の適当な数のくさび状の片持ち梁120を含むような円形、あるいはトランスデューサ100が好ましくは(図3Bに示される)3つの片持ち梁120を含むような三角形、あるいはトランスデューサ100が好ましくは8つの片持ち梁120を含むような八角形、あるいはトランスデューサ100が好ましくは(図3Cに示される)6つの片持ち梁120を含むような六角形、あるいは片持ち梁120を任意の必要数含むような任意の幾何学的形状であってもよい。
As shown in FIG. 3, the
好ましいトランスデューサにおいて、片持ち梁120間のギャップは、製造中、約1ミクロン未満であるが、それよりも僅かに大きくなることもある。製造後、片持ち梁120間のギャップは、1ミクロン未満に維持されるのが好ましいが、残留応力により生じる変形によってそれよりもかなり大きくなることもある。片持ち梁120は、好ましくは1またはそれ以上の電極層142を介して電気的に接続されるが、代替的には、導電性の配線146により電気的に接続されるか、あるいは互いに電気的に絶縁されるか、あるいはその組み合わせ、すなわち片持ち梁120の一部が電気的に接続される一方で、それ以外が電気的に絶縁されるものであってもよい。片持ち梁120は直列に接続されるものであっても、あるいは並列に接続されるものであってもよいが、好ましくは、その極端な二つの混合で接続されるもの、すなわち片持ち梁120の一部が直列に接続される一方で、それ以外が並列に接続されるものであってもよい。
In preferred transducers, the gap between the
[音響トランスデューサの製造方法]
図5および図6に示すように、トランスデューサの好ましい製造方法は、ブロックS100において、基板上に圧電層と電極層を交互に蒸着させるステップと、ブロックS200において、蒸着させた層を処理して片持ち梁形状を規定するステップと、ブロックS300において、金属配線を蒸着させるステップと、ブロックS400において、基板100から片持ち梁120を解放するステップとを含むことができる。トランスデューサ100は好ましくは標準的なCMOSプロセスを使用して組み立てられるため、関連する電子機器(例えば、JFET、電荷増幅器、集積回路)は、同じCMOSプロセスを使用してトランスデューサ100と同じ基板上に組み立てることができる。
[Acoustic transducer manufacturing method]
As shown in FIGS. 5 and 6, a preferred method for manufacturing a transducer includes a step of alternately depositing piezoelectric layers and electrode layers on a substrate in block S100, and a step of processing the deposited layers in block S200. The step of defining a cantilever shape, depositing metal wiring in block S300, and releasing the
好ましい方法のブロックS100には、基板上に圧電と電極が交互に重なった層を蒸着させることが記載されている。ブロックS100は、好ましくは、片持ち梁の層を生成するように機能する。圧電層は、好ましくは、そのCMOS適合性により窒化アルミニウム(AlN)を含むが、代替的には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛(PMN−PT)または任意のその他の適当な圧電性物質を含むことができる。電極層は、好ましくは、モリブデン(Mo)、チタニウム(Ti)、アルミニウム(Al)またはプラチナ(Pt)を含むが、代替的には、任意のその他の適当な電極材料を含むことができる。片持ち梁は、好ましくは、表面マイクロマシニングを使用して製造されるが、代替的には、バルクマイクロマシニングにより製造されるものであってもよい。各層は、好ましくは、前の層の上に蒸着され(第1層が、SiO2層の上に蒸着され)、その後、次の層を蒸着させる前に、所望パターンにエッチングされる。各層は、好ましくは、薄膜蒸着によって蒸着されるが、代替的には、反応性物理蒸着、物理蒸着、化学蒸着、エピタキシ、または任意の適当な方法で蒸着されるものであってもよい。各層は、好ましくは、最初に、フォトリソグラフィによりパターン形成され、その後に、フォトリソグラフィにより曝された領域の材料を取り除くためにマイクロマシン加工される。マイクロマシニング法は、ウェットエッチング(化学エッチング)およびドライエッチング(例えば、反応性イオンエッチングまたはイオンミリングを介した)を含むが、任意のその他の適当なエッチング法を含むものであってもよい。一実施形態においては、(図6に示すように)交互に重なる層がずらして配置されるように電極層がパターン形成されて、S300で蒸着された金属配線によって、電極層が一つおきに並列に接続されるものであってもよい。しかしながら、電極層および圧電層は、任意の適当なパターンでパターン形成されるものであってもよい。 Block S100 of the preferred method describes depositing alternating layers of piezoelectric and electrodes on the substrate. Block S100 preferably functions to generate a cantilever layer. The piezoelectric layer preferably comprises aluminum nitride (AlN) due to its CMOS compatibility, but alternatively lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO), polyvinylidene fluoride (PVDF), niobic acid Lead magnesium-lead titanate (PMN-PT) or any other suitable piezoelectric material may be included. The electrode layer preferably comprises molybdenum (Mo), titanium (Ti), aluminum (Al) or platinum (Pt), but may alternatively comprise any other suitable electrode material. The cantilever is preferably manufactured using surface micromachining, but may alternatively be manufactured by bulk micromachining. Each layer is preferably deposited on the previous layer (the first layer is deposited on the SiO 2 layer) and then etched to the desired pattern before depositing the next layer. Each layer is preferably deposited by thin film deposition, but may alternatively be deposited by reactive physical vapor deposition, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, epitaxy, or any suitable method. Each layer is preferably first patterned by photolithography and then micromachined to remove material in areas exposed by photolithography. Micromachining methods include wet etching (chemical etching) and dry etching (eg, via reactive ion etching or ion milling), but may include any other suitable etching method. In one embodiment, every other electrode layer is formed by patterning the electrode layers so that the alternating layers are arranged in a staggered fashion (as shown in FIG. 6) and deposited in S300. It may be connected in parallel. However, the electrode layer and the piezoelectric layer may be patterned in any appropriate pattern.
好ましい方法のブロックS200には、蒸着させた層を処理して片持ち梁形状を規定することが記載されている。ブロックS200は、片持ち梁のギャップ制御構造を規定するギャップを生成するように機能する。蒸着された層は、好ましくは、蒸着された層を貫通するギャップをエッチングすることにより(例えば、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、イオンミリングまたは任意のその他のエッチング法で)処理されるが、代替的には、片持ち梁120を規定してそれらの隣りからそれらを解放することにより、別の方法で処理されるものであってもよい。ギャップの厚さは、好ましくは1ミクロンまたはそれ未満であるが、代替的には、それよりも僅かに大きいものであってもよい。また、ギャップは、好ましくは、互いに分岐して、実質的に三角形の片持ち梁を形成するが、代替的には、端部で交差して所望のギャップ制御構造を形成するものであってもよい。このステップは、好ましくは少なくとも2つの分岐するギャップを生成して、少なくとも4つの三角形の片持ち梁が形成されるが、代替的には、3、4または任意の数のギャップを生成して、任意の数の片持ち梁を形成するようにしてもよい。
Block S200 of the preferred method describes processing the deposited layer to define a cantilever shape. Block S200 functions to generate a gap that defines the gap control structure of the cantilever. The deposited layer is preferably processed by etching a gap through the deposited layer (eg, by reactive ion etching, wet etching, ion milling or any other etching method), but alternatively In particular, the
好ましい方法のブロックS300には、金属配線を蒸着させることが記載されている。ブロックS300は、好ましくは、音響トランスデューサを1またはそれ以上の増幅器に電気的に接続するように機能する。ブロックS300は、ブロックS200の前、後、または同時に行われるものであってもよい。金属配線は、好ましくは、一層として蒸着された後にパターン形成されるが、代替的には、予めパターン形成されて音響トランスデューサ上に付着されるものであってもよい。ブロックS300は、好ましくは、各電極または各電極層142に対して金属配線を与えるが、複数の電極に対して単一の金属配線を与えて、電極が互いに並列に接続されるものであってもよい。金属配線は、好ましくは、中間の圧電層および/または電極層を通って関連する電極層142に延びるが、代替的には、任意の適当な方法でトランスデューサ電極に接続されるものであってもよい。
Block S300 of the preferred method describes depositing metal wiring. Block S300 preferably functions to electrically connect the acoustic transducer to one or more amplifiers. Block S300 may be performed before, after, or simultaneously with block S200. The metal wiring is preferably patterned after being deposited as a single layer, but may alternatively be pre-patterned and deposited on the acoustic transducer. The block S300 preferably provides a metal wiring to each electrode or each
好ましい方法のブロックS400には、基板から片持ち梁を解放することが記載されている。ブロックS400は、好ましくは、片持ち梁が、必要に応じて拡大、収縮または屈曲することを可能にして、残留応力を実質的に放出するように機能する。片持ち梁は、好ましくは、片持ち梁の下方から基板を取り除くことによって、基板から解放される。これは、好ましくは、DRIE(深掘り反応性イオンエッチング)を使用して達成されるが、ウェットエッチング、EDM(放電加工)、マイクロマシニングプロセス、または基板から片持ち梁を解放する任意のその他の処理方法を使用して達成されるものであってもよい。代替的には、片持ち梁は、基板から完全に解放された後に、同じ基板または異なる基板の何れかに再び取り付けられるものであってもよい。片持ち梁は、梁層蒸着の前(すなわち、ブロックS100の前)に基板と片持ち梁との間に犠牲層を提供し、その後、ブロックS500において犠牲層をエッチングで取り除くことによって、完全に解放することができる。犠牲層は、好ましくは、酸化物であるが、選択的に除去できる、圧電層および電極層の材料とは異種の任意の適当な材料であってもよい。犠牲層は、好ましくは、水溶液中のフッ化水素(HF)のようなエッチング液により、あるいはプラズマエッチングにより、あるいは任意のその他の適当なエッチングプロセスにより、除去される。片持ち梁は、好ましくは、静電クランピングまたは任意の適当な手法により、それらの基端部に沿って、基板に再び取り付けられる。 Block S400 of the preferred method describes releasing the cantilever from the substrate. Block S400 preferably functions to allow the cantilever to expand, contract, or bend as needed to substantially release residual stress. The cantilever is preferably released from the substrate by removing the substrate from below the cantilever. This is preferably achieved using DRIE (Deep Reactive Ion Etching), but wet etching, EDM (Electric Discharge Machining), micromachining process, or any other that releases the cantilever from the substrate. It may be achieved using a processing method. Alternatively, the cantilever may be reattached to either the same substrate or a different substrate after it has been completely released from the substrate. The cantilever is completely removed by providing a sacrificial layer between the substrate and the cantilever before beam layer deposition (ie, before block S100), and then etching away the sacrificial layer in block S500. Can be released. The sacrificial layer is preferably an oxide, but may be any suitable material different from the material of the piezoelectric and electrode layers that can be selectively removed. The sacrificial layer is preferably removed by an etchant such as hydrogen fluoride (HF) in an aqueous solution, by plasma etching, or by any other suitable etching process. The cantilevers are preferably reattached to the substrate along their proximal ends by electrostatic clamping or any suitable technique.
好ましい方法は、ブロックS500において、基板上に酸化物層を成長させるステップを追加的に含むことができる。ブロックS500は、好ましくは、ブロックS100の前に行われ、好ましくは、S400における片持ち梁の解放の量を制御するように機能する。ブロックS400の一変形例において、基板除去プロセスは、好ましくは、酸化物層で終わる。ブロックS500の別の変形例において、酸化物層は、好ましくは、犠牲層として機能する。適当な酸化物は、好ましくは、トランスデューサの所望の活性領域上に成長されるが、代替的には、トランスデューサの所望の解放領域において、あるいは基板全体にわたって、あるいは任意の適当な領域において、成長されるものであってもよい。酸化物は、好ましくは、基板から成長される酸化物であり、より好ましくは、二酸化ケイ素(SiO2)であるが、基板上に成長または蒸着する任意の適当な酸化物であってもよい。酸化物は、好ましくは一般的な熱的酸化を使用して成長されるが、代替的には、プラズマ化学気相成長法(PECVD酸化物蒸着)、化学蒸着(CVD酸化物蒸着)、物理蒸着(PVD酸化物蒸着)または任意のその他の適当な酸化または酸化物蒸着プロセスを使用して成長されるものであってもよい。好ましい方法は、エッチングまたはマイクロマシニングによってトランスデューサから酸化物層を除去するブロックS500Aにおいて、酸化物層を除去するステップを追加的に含むことができる。 The preferred method may additionally include growing an oxide layer on the substrate at block S500. Block S500 is preferably performed before block S100 and preferably functions to control the amount of cantilever release in S400. In one variation of block S400, the substrate removal process preferably ends with an oxide layer. In another variation of block S500, the oxide layer preferably functions as a sacrificial layer. A suitable oxide is preferably grown on the desired active area of the transducer, but alternatively it may be grown in the desired release area of the transducer, over the entire substrate, or in any suitable area. It may be a thing. The oxide is preferably an oxide grown from a substrate, more preferably silicon dioxide (SiO 2 ), but may be any suitable oxide grown or deposited on the substrate. The oxide is preferably grown using conventional thermal oxidation, but alternatively, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD oxide deposition), chemical vapor deposition (CVD oxide deposition), physical vapor deposition It may be grown using (PVD oxide deposition) or any other suitable oxidation or oxide deposition process. The preferred method may additionally include removing the oxide layer in block S500A where the oxide layer is removed from the transducer by etching or micromachining.
好ましい方法は、ブロックS600において、シード層を蒸着させるステップを追加的に含むことができる。シード層は、好ましくは、その上に片持ち梁を組み立てる活性層として機能する。ブロックS600は、好ましくは、ブロックS100の前に行われる。より好ましくは、ブロックS600は、片持ち梁の圧電または電極層と酸化物層との間にシード層が配置されるように、ブロックS500の後に実行される。シード層は、好ましくは、窒化アルミニウム(AlN)であるが、任意の適当な圧電、電極またはシード材料であってもよい。シード層は、好ましくは、物理的気相成長法(PVD)または任意のその他の適当なスパッタリング技術を使用してスパッタされるが、酸化物層または基板上に別の方法で蒸着されるものであってもよい。 The preferred method may additionally include depositing a seed layer at block S600. The seed layer preferably functions as an active layer on which the cantilever is assembled. Block S600 is preferably performed before block S100. More preferably, block S600 is performed after block S500 such that a seed layer is disposed between the piezoelectric or electrode layer of the cantilever and the oxide layer. The seed layer is preferably aluminum nitride (AlN), but may be any suitable piezoelectric, electrode or seed material. The seed layer is preferably sputtered using physical vapor deposition (PVD) or any other suitable sputtering technique, but is otherwise deposited on the oxide layer or substrate. There may be.
[実施例の方法およびトランスデューサ]
図6A乃至6Hに示すように、好ましい方法の一実行例は、ブロックS500において、基板上に熱酸化物(SiO2)を成長させるステップと、ステップS600において、窒化アルミニウム(AlN)シード層を蒸着させるステップ(図6A)と、第1電極層(モリブデン)を蒸着およびパターニングするステップ(図6B)と、第1圧電層(AlN)を蒸着およびパターニングするステップ(図6C)と、第2電極層(mobidum)を蒸着およびパターニングするステップ(図6C)と、第2圧電層(AlN)を蒸着およびパターニングするステップ(図6D)と、ステップS100において、上部電極層(モリブデン)を蒸着およびパターニングするステップ(図6D)とを含む。好ましくは、圧電層(AlNビア)を通って電極層へとキャビティをエッチングし、ブロックS300において、金属配線を蒸着させることができる(図6Eおよび図6F)。一変形例において、2つの金属配線が蒸着され、第1キャビティ/金属配線は、上部および下部電極まで延びてそれら電極に接続され、第2キャビティ/金属配線は、中間電極まで延びて中間電極に接続される。片持ち梁は、蒸着された層S200から規定され(エッチングまたはマイクロマシニングされた)(図6E)、ブロックS400において、深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)で裏面から基板をエッチングすることにより基板から解放される(図6G)。DRIEは、酸化物層で止まり、酸化物層は、基板S500Aからトランスデューサを解放するために除去される(図6H)。
[Method and Transducer of Example]
As shown in FIGS. 6A-6H, one implementation of the preferred method is to grow a thermal oxide (SiO 2 ) on the substrate in block S500 and deposit an aluminum nitride (AlN) seed layer in step S600. Step (FIG. 6A), depositing and patterning a first electrode layer (molybdenum) (FIG. 6B), depositing and patterning a first piezoelectric layer (AlN) (FIG. 6C), and a second electrode layer Evaporating and patterning (mobidium) (FIG. 6C), evaporating and patterning the second piezoelectric layer (AlN) (FIG. 6D), and evaporating and patterning the upper electrode layer (molybdenum) in step S100. (FIG. 6D). Preferably, the cavity can be etched through the piezoelectric layer (AlN via) and into the electrode layer, and metal wiring can be deposited in block S300 (FIGS. 6E and 6F). In one variation, two metal lines are deposited, the first cavity / metal line extends to and is connected to the upper and lower electrodes, and the second cavity / metal line extends to the intermediate electrode to the intermediate electrode Connected. The cantilever is defined from the deposited layer S200 (etched or micromachined) (FIG. 6E) and from the substrate by etching the substrate from the back side with deep reactive ion etching (DRIE) in block S400. It is released (FIG. 6G). The DRIE stops at the oxide layer, which is removed to release the transducer from the substrate S500A (FIG. 6H).
実施例の方法の実行全体に亘って、残留応力は、好ましくは、ウェハ曲率測定を使用して(例えば、光学的または物理学的測定を介して)監視されるが、代替的には、応力測定(例えば、応力トランスデューサ)、非線形弾性応力測定(例えば、超音波または磁気技術、X線または中性子回折)または片持ち梁の残留応力または曲率を測定する任意のその他の方法によって測定されるものであってもよい。その後、蒸着パラメータは、好ましくは、片持ち梁のたわみまたは応力を最小化するように調節される。 Throughout the execution of the example method, the residual stress is preferably monitored using wafer curvature measurements (eg, via optical or physical measurements), but alternatively the stress Measured by a measurement (eg stress transducer), non-linear elastic stress measurement (eg ultrasonic or magnetic techniques, X-ray or neutron diffraction) or any other method of measuring the residual stress or curvature of a cantilever beam There may be. The deposition parameters are then preferably adjusted to minimize cantilever deflection or stress.
当業者は、上述した詳細な説明および図面および請求項から、以下の請求項に規定される本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に修正および変更を加えることができることを認識するであろう。 Those skilled in the art can now make modifications and changes to the preferred embodiments of the present invention from the foregoing detailed description and drawings, and from the claims without departing from the scope of the invention as defined in the following claims. You will recognize.
Claims (18)
基板と、
複数の先細トランスデューサ梁とを備え、
各先細トランスデューサ梁は、加えられた圧力を電圧に変換する圧電層と、前記圧電層を間に挟む一対の電極層とを備え、
各先細トランスデューサ梁は、梁基端部と、梁端部と、前記梁基端部と前記梁端部との間に配置される梁本体部とを有し、前記梁本体部が、前記梁基端部から前記梁端部に向けて先細りし、
前記先細トランスデューサ梁は、前記梁基端部を前記基板に取り付けることにより、片持ち梁構成で前記基板上に連結され、前記複数の先細トランスデューサ梁の梁端部が共通の一点に向けて集まり、各梁本体および梁端部が前記基板に結合されておらず、
前記梁端部が先の尖った梁先端を含み、前記梁先端が共にほぼ一点に集まることを特徴とするMEMSトランスデューサ。 A MEMS transducer comprising:
A substrate,
A plurality of tapered transducer beams,
Each tapered transducer beam includes a piezoelectric layer that converts an applied pressure into a voltage, and a pair of electrode layers that sandwich the piezoelectric layer therebetween,
Each tapered transducer beam has a beam base end, a beam end, and a beam main body disposed between the beam base end and the beam end, and the beam main body extends from the beam base end to the beam. Taper towards the edge,
The tapered transducer beam is connected to the substrate in a cantilever configuration by attaching the beam base end portion to the substrate, and the beam end portions of the plurality of tapered transducer beams are gathered toward a common point. The body and beam ends are not bonded to the substrate ,
2. The MEMS transducer according to claim 1, wherein the beam end portion includes a pointed beam tip, and the beam tips are gathered at almost one point .
隣接する先細トランスデューサ梁の長さ方向に沿って規定されるギャップが、約1ミクロンまたはそれ未満であることを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 1, wherein
A MEMS transducer, wherein the gap defined along the length of adjacent tapered transducer beams is about 1 micron or less.
各先細トランスデューサ梁がほぼ三角形の表面を有することを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 1, wherein
A MEMS transducer, wherein each tapered transducer beam has a generally triangular surface.
前記先細トランスデューサ梁の少なくとも2つが互いに直列に電気的に接続されていることを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 1, wherein
A MEMS transducer, wherein at least two of said tapered transducer beams are electrically connected in series with each other.
前記圧電層が、前記先細トランスデューサ梁の幅および長さのほぼ全体に亘って延在することを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 1, wherein
The MEMS transducer, wherein the piezoelectric layer extends over substantially the entire width and length of the tapered transducer beam.
前記先細トランスデューサ梁がそれぞれ、2層の圧電層と、3層の電極層とを含むことを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 5 , wherein
Each of the tapered transducer beams includes two piezoelectric layers and three electrode layers.
各先細トランスデューサ梁の電極層が、金属配線により直列に電気的に接続されていることを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 6 , wherein
A MEMS transducer, wherein the electrode layers of each tapered transducer beam are electrically connected in series by metal wiring.
前記圧電層が窒化アルミニウムを含み、前記電極層がモリブデンを含むことを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 5 , wherein
The MEMS transducer, wherein the piezoelectric layer includes aluminum nitride, and the electrode layer includes molybdenum.
蒸着させた層を処理して複数の先細トランスデューサ梁を規定するステップであって、各先細トランスデューサ梁が、加えられた圧力を電圧に変換する前記圧電層と、前記圧電層を間に挟む前記第1電極層および前記第2電極層とを備え、各先細トランスデューサ梁が、梁基端部と、梁端部と、前記梁基端部と前記梁端部との間に配置された梁本体部とを有するステップと、
金属配線を蒸着させるステップと、
前記金属配線をパターニングするステップと、
前記先細トランスデューサ梁を前記基板から解放するステップとを備え、解放された先細トランスデューサ梁が、前記梁基端部を前記基板に取り付けることにより、片持ち梁構成で前記基板上に連結され、前記複数の先細トランスデューサ梁の各梁端部が共通の一点に向けて集まり、各梁本体および梁端部が前記基板に結合されておらず、
前記梁端部が先の尖った梁先端を含み、前記梁先端が共にほぼ一点に集まることを特徴とする方法。 Depositing a layer on which at least a first electrode layer, a piezoelectric layer and a second electrode layer are alternately overlapped on a substrate;
Processing the deposited layer to define a plurality of tapered transducer beams, each taper transducer beam converting the applied pressure into a voltage and the piezoelectric layer sandwiching the piezoelectric layer therebetween; Each taper transducer beam comprising a beam base end, a beam end, and a beam main body disposed between the beam base end and the beam end. When,
Depositing metal wiring;
Patterning the metal wiring;
Releasing the tapered transducer beam from the substrate, wherein the released tapered transducer beam is coupled onto the substrate in a cantilever configuration by attaching the beam proximal end to the substrate, Each beam end of the transducer beam gathers toward a common point, each beam body and beam end are not coupled to the substrate ,
The beam end portion includes a pointed beam tip, and the beam ends are gathered together at approximately one point .
隣接する先細トランスデューサ梁が、蒸着させた層の厚さ方向に延びるギャップを規定することを特徴とする方法。 The method of claim 9 , wherein
A method wherein adjacent tapered transducer beams define a gap extending in the thickness direction of the deposited layer.
前記隣接する先細トランスデューサ梁間のギャップ幅が約1ミクロンまたはそれ未満であることを特徴とする方法。 The method of claim 10 , wherein
A method wherein the gap width between adjacent tapered transducer beams is about 1 micron or less.
前記ギャップがマイクロマシニングで加工されることを特徴とする方法。 The method of claim 10 , wherein
A method wherein the gap is machined by micromachining.
前記先細トランスデューサ梁が、2つの交差する線形ギャップによって規定されることを特徴とする方法。 The method of claim 10 , wherein
The method wherein the tapered transducer beam is defined by two intersecting linear gaps.
前記金属配線を蒸着させるステップが、金属配線を各電極層に蒸着させるステップを含むことを特徴とする方法。 The method of claim 9 , wherein
The method of depositing the metal wiring includes depositing metal wiring on each electrode layer.
前記基板から前記梁を解放するステップが、前記基板をエッチングして前記梁から切り離すステップを含むことを特徴とする方法。 The method of claim 9 , wherein
The method of releasing the beam from the substrate includes etching the substrate to separate it from the beam.
前記基板をエッチングするステップは、深掘り反応性イオンエッチングを含むことを特徴とする方法。 The method of claim 15 , wherein
Etching the substrate comprises deep reactive ion etching.
前記圧電層および電極層を蒸着およびパターニングする前に、前記基板上に熱酸化物層を成長させるステップをさらに備えることを特徴とする方法。 The method of claim 16 , wherein
A method further comprising growing a thermal oxide layer on the substrate prior to depositing and patterning the piezoelectric and electrode layers.
前記梁端部が、接触することなく、一点に向けて集まることを特徴とするMEMSトランスデューサ。 The MEMS transducer according to claim 1, wherein
3. The MEMS transducer according to claim 1, wherein the beam ends are gathered toward one point without contact.
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